JP2006305487A - 電解窒素除去システム - Google Patents

Abstract

【課題】貯留槽内のクロラミン濃度をあまり上昇させずに、窒素成分の除去を行うことのできる電解窒素除去システムが望まれていた。
【解決手段】貯留タンク１から被処理水を取り出し、再び貯留タンクに戻すための循環路６の途中に、通過型電解装置９で電気分解された被処理水を、循環路の下流側から再処理のために循環路上流側へ戻すバイパス経路１４を設ける。
【効果】バイパス経路１４により、通過型電解装置９で電気分解された被処理水は、貯留タンク１に戻る前に再び通過型電解装置９へ与えられて電気分解され、複数回のパスを経て、窒素除去が迅速にかつ効率良く実現できる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素、またはアンモニア性窒素などを含む被処理水中の窒素成分を除去するための窒素除去システムに関し、特に、被処理水を電気分解するという手法を用いて窒素を除去するための電解窒素除去システムに関する。

被処理水を電気分解することにより、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素、またはアンモニアなどを酸化または還元分解して、窒素ガスにして除去するという方法が知られている（たとえば特開２００４−３４４８２０号公報参照）。
従来の電気分解により被処理水中の窒素成分を除去するシステムには、電解装置として、いわゆる通過型の電解装置が主として使用されていた。この理由は、通過型電解装置は構造が簡単で、被処理水の処理量が多くなれば、改良して大型化することが容易であるなどの利点を有するためである。

ところで、電気分解により被処理水中の窒素成分を除去する場合は、酸化または還元分解の反応が一段階ではないため、被処理水を電解装置に１回通しただけでは、反応が完結せず、ある程度の電気分解時間が必要となる。そこで、電解装置を通過させる被処理水の流速を落として、電解装置における被処理水の滞留時間を稼ぐ方法が考えられるが、その場合は、電解装置において、窒素の除去に必要な塩素の発生効率が低下するという問題が生じる。

そこで、従来、通過型電解装置によって被処理水中の窒素成分を除去する場合は、被処理水を一旦貯留し、被処理水を１パスだけではなく循環させる方法で電解装置を通過させ、処理を行っていた。
特開２００４−３４４８２０号公報

従来の、通過型電解装置を用いて被処理水から窒素成分を除去する方法の場合、被処理水を一旦貯留するため、貯留槽全体におけるクロラミン濃度がある程度の濃度まで上昇しないと脱窒が進行せず、脱窒に必要となる塩素イオンを大量に供給しなければならないという課題があった。
つまり、被処理水を一旦貯留槽に貯留して、その被処理水を循環させ、その際に電気分解を行う方法では、電気分解時に生じる次亜塩素酸の多くは、クロラミンの形成に消費される。よって、クロラミンを窒素にするために必要な次亜塩素酸が不足状態となり、より多くの次亜塩素酸を発生させなければ、効率の良い窒素除去処理ができない。また、電気分解に伴う反応がクロラミンで止まると、塩素イオンが不足状態となり、反応を進めるために塩素イオンの補充、すなわち多量のＮａＣｌを追加しなければならないという欠点もある。このように、被処理水を一旦貯留槽に溜め、溜められた被処理水を循環させながら電気分解をして窒素成分を除去するというやり方では、効率の良い窒素除去を行えていないという課題があった。

この発明は、かかる背景のもとになされたもので、被処理水を一旦貯留槽に貯留し、貯留した被処理水を循環路を循環させ、その途中で電気分解を行い窒素成分を除去するシステムにおいて、貯留槽内のクロラミン濃度をあまり上昇させずに、窒素成分の除去を行うことのできる電解窒素除去システムを提供することを主たる目的とする。
この発明は、また、塩素イオンを効率良く窒素成分の除去に用いることのできる電解窒素除去システムを提供することを他の目的とする。

請求項１記載の発明は、電気化学的手法によって被処理水中の窒素成分を除去する電解窒素除去システムであって、窒素成分を除去すべき被処理水を一旦貯留するための貯留タンクと、上記貯留タンクから被処理水を取り出し、再び貯留タンクに戻すための循環路と、上記循環路の途中に設けられ、循環路を流れる被処理水を電気分解するための電気分解手段と、上記循環路の、電気分解手段が設けられた位置よりも下流側に流入口が接続され、電気分解手段が設けられた位置よりも上流側に流出口が接続されていて、電気分解手段で電気分解された被処理水を循環路下流から再処理のために循環路上流へ戻すバイパス経路と、を有することを特徴とする電解窒素除去システムである。

請求項２記載の発明は、上記電気分解手段で電気分解された被処理水が、上記循環路を通って貯留タンクへ戻る流量と、上記バイパス経路を通って再び電気分解手段へ戻る流量との流量比を調整するための流量比調整手段が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の電解窒素除去システムである。
請求項３記載の発明は、上記流量比調整手段は、バイパス経路に挿入された流量制御用バルブ、または、バイパス経路の流入口が接続された位置よりも下流側の循環路に設けられた流量制御用バルブの少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項２記載の電解窒素除去システムである。

請求項４記載の発明は、上記流量比調整手段は、バイパス経路に挿入された流量制御用バルブ、および、バイパス経路の流入口が接続された位置よりも下流側の循環路に設けられた流量制御用バルブを含むことを特徴とする、請求項３記載の電解窒素除去システムである。
請求項５記載の発明は、上記流量比調整手段は、さらに、上記循環路におけるバイパス経路の流出口が接続された位置と電気分解手段との間に設けられ、循環路を流れる被処理水の流量を調整するためのポンプを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の電解窒素除去システムである。

請求項６記載の発明は、上記循環路における電気分解手段の下流側で、かつ、バイパス経路の流入口が設けられた位置よりも上流側に、循環路を流れる被処理水のｐＨを検出するためのｐＨセンサが設けられていることを特徴とする、請求項５記載の電解窒素除去システムである。
請求項７記載の発明は、上記流量比調整手段は、上記ｐＨセンサの出力に基づき流量比を制御することを特徴とする、請求項６記載の電解窒素除去システムである。

請求項８記載の発明は、上記電気分解手段は、被処理水を溜めずに、被処理水を通過させながら、その間に被処理水を電気分解する通過型電気分解手段であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の電解窒素除去システムである。
請求項９記載の発明は、上記循環路には、バイパス経路の流出口が接続された位置よりも下流側で、かつ、電気分解手段よりも上流側に、被処理水中の塩素濃度を高めるための塩素供給手段が設けられていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の電解窒素除去システムである。

請求項１０記載の発明は、上記循環路には、バイパス経路の流出口が接続された位置よりも下流側で、かつ、電気分解手段よりも上流側に、被処理水のｐＨを調整するためのｐＨ調整薬剤注入手段が設けられていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の電解窒素除去システムである。
請求項１１記載の発明は、上記バイパス経路中に、被処理水中に発生するエアを除去するためのエア抜き手段が設けられていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の電解窒素除去システムである。

請求項１記載の発明によれば、循環路を流れる間に電気分解手段で電気分解された被処理水を、貯留タンクへ戻すのではなく、再処理のために電気分解手段へと戻すためのバイパス経路が設けられている。よって、電気分解手段により１度電気分解されたクロラミンを含む被処理水は、貯留タンクに戻されてクロラミンの濃度が希釈される前に、再度電気分解される。これにより、被処理水は１パスではなく、複数回の電気分解処理に供され、窒素成分の除去、すなわち脱窒が完了する。

この結果、貯留タンクのクロラミン濃度が大きく上昇する前に、被処理水の脱窒が完了することになる。よって、総合的に見ると、貯留タンク内のクロラミン濃度はあまり上昇せず、塩素イオンの添加量を少なくしても、塩素発生効率が高いままでの運転が可能となる。
換言すれば、従来の、貯留タンクに溜められた被処理水を循環路を循環させながら順次電気分解を施して、貯留タンク内の被処理水全体を徐々に処理していくやり方では、貯留タンク内の被処理水のクロラミン濃度を上昇させる必要がある。これに対し、この発明では、貯留タンク内の被処理水を循環路に導き、その循環路内で循環路→電気分解手段→バイパス経路→循環路→電気分解手段という経路を必要な時間通すことにより、１パスでは反応が完結しない脱窒現象を、複数パス電気分解手段を通過させることによって完了させ、その後に貯留タンクへ被処理水を戻す。よって、貯留タンク内のクロラミン濃度を上昇させずに、塩素イオンを有効活用した窒素除去を行うことができる。

請求項２記載の発明によれば、被処理水に対して過剰に電気分解することなく、貯留タンクに溜まる被処理水のクロラミン濃度を低く抑えるという調整が可能になる。
つまり、循環路から貯留タンクに戻される被処理水の流量を０にすれば、バイパス経路内はクローズされた系となるため、やがてはその系中の処理水の窒素成分は０になる。このため、貯留タンク内のクロラミン濃度は全く上昇しない。

しかし、被処理水の脱窒が完了した後は、被処理水に対して過剰な電気分解を行っていることとなる。一方、バイパス経路への被処理水の流入量が０であれば、システムは従来のシステムと同様であり、バイパス経路を設けた意味がなくなってしまう。
そこで、この発明では、バイパス経路を通って電気分解手段へ再処理のために与えられる被処理水の流量を調整し、被処理水を過剰に電気分解することなく、電気分解により発生する塩素濃度を有効利用し、かつ、貯留タンク内のクロラミン濃度をあまり上昇させないように、貯留タンクへ戻る被処理水の流量と、バイパス経路を通って再び電気分解手段へ戻る被処理水の流量との流量比が調整されている。

請求項３，４記載の発明によれば、バイパス経路内または循環路内に、流量調整用バルブを設けることによって、簡単な構成で、流量調整を実現できる。
さらに、請求項５の構成によれば、流量比調整手段にポンプを含めることで、バイパス経路を一時的にクローズした系にすることができ、効率の良い塩素イオンの利用を図り、被処理水から窒素成分を効率良く除去することができる。

請求項６，７の発明によれば、ｐＨセンサで測定される循環路内を流れる被処理水のｐＨに基づき、窒素除去反応の進行具合を近似的に検知でき、流量調整手段による調整を最適な状態とすることができる。
また、被処理水に含まれている窒素濃度が変動しても、自動的にかつ効率良く運転条件を最適化することが可能となる。

請求項８記載の発明によれば、通過型電気分解手段を利用することで、構造が簡単で、被処理水の容量変化に柔軟に対応できる装置とすることができる。
請求項９記載の発明によれば、電気分解手段の直前で塩素イオンを添加するので、電気分解手段における電気分解効率を向上させ、塩素イオンの添加量を低く抑えることができる。

請求項１０記載の発明によれば、ｐＨ調整薬剤を注入するので、被処理水のｐＨが大きく変化することを防ぐことができる。また、バイパス経路をクローズした場合でも、ｐＨの調整が可能となる。
請求項１１記載の発明によれば、バイパス経路をクローズした場合でも、その系内で電気分解による気泡が溜まることがなく、ポンプのエア噛みなどの不具合を回避することができる。

図１は、この発明の一実施形態に係る電解窒素除去システムの構成例を示す全体図である。
電解窒素除去システムには、窒素成分を除去すべき被処理水を一旦貯留するための貯留タンク１が備えられている。貯留タンク１には被処理水導入口２および処理後の水排出口３が備えられている。貯留タンク１は、たとえば数１０トンの被処理水を貯留できる程度の大きさに設計することが可能である。

貯留タンク１には、取水口４および戻し口５が備えられており、取水口４と戻し口５とを連通する循環路６が備えられている。このため、貯留タンク１内に溜められた被処理水は、取水口４から循環路６に流れ出て、循環路６内を通り、戻し口５から貯留タンク１へと循環し得る。
循環路６には、被処理水の循環方向に沿って、第１バルブ７、ポンプ８、通過型電解装置９、ｐＨセンサ１０、第２バルブ１１が設けられている。

そして、ｐＨセンサ１０と第２バルブ１１との間に位置する循環路６に対して流入口１２が接続され、第１バルブ７およびポンプ８の間に位置する循環路６に対して流出口１３が接続されたバイパス経路１４が備えられている。つまり、バイパス経路１４は、ｐＨセンサ１０を通過した被処理水を再びポンプ８の上流側に戻す役割をする経路である。
バイパス経路１４には、被処理水の流れ方向に沿って、第３バルブ１５およびエア抜き装置１６が備えられている。

さらに、このシステムには、ポンプ８および電解装置９間に位置する循環路６に対して、ＮａＣｌタンク１７およびポンプ１８を有する塩素イオン供給装置１９、ならびに、ＮａＯＨタンク２０およびポンプ２１を含むｐＨ調整装置２２が接続されている。
なお、塩素イオン供給装置１９およびｐＨ調整装置２２の接続位置が、循環路６における被処理水の流れ方向に対して上流側、下流側が逆になっていても構わない。要は、ポンプ８と通過型電解装置９との間にある循環路６にこれら装置１９，２２が接続されていればよい。

図１に示す電解窒素除去システムの動作は、次の通りである。
導入口２から窒素成分を除去すべき被処理水が貯留タンク１内へ流入され、被処理水は貯留タンク１に一旦貯留される。貯留タンク１内の被処理水が所定量以上になると、オーバーフローにより排出口３から排出される。そこで、貯留タンク１内に被処理水が貯留されている間に、循環路６を用いて被処理水を貯留タンク１から処理のために循環させ、処理後の水を貯留タンク１へ戻すという連続処理が施される。

循環路６を流れる被処理水の流量は、第１バルブ７の開度およびポンプ８の運転能力により調整される。
また、循環路６を流れる被処理水が、第２バルブ１１を経由して貯留タンク１へ戻るか、流入口１２からバイパス経路１４を経由して再び循環路６へ循環するかの割合、すなわち流量比は、第２バルブ１１および第３バルブ１５の開度を調整することにより、自在に制御することができる。

貯留タンク１に戻るか、バイパス経路１４を流れるかの流量比の最適値は、被処理水中の窒素濃度や、通過型電解装置９に印加する電流・電圧などにより変化するが、たとえば、第３バルブ１５の通過流量を９９としたときに、第２バルブ１１の通過流量を１とすることができる。
また、第３バルブ１５の開度および第２バルブ１１の開度は、ｐＨ値と窒素濃度との間に相関関係がある場合は、ｐＨセンサ１０の測定値に基づき、処理の進行具合に応じて両バルブの開度を最適な流量比に調整することが可能である。たとえば、被処理水中のアンモニア性窒素を除去する場合は、アンモニア除去に合わせて、ｐＨセンサ１０で測定されるｐＨが下がるから、その値に応じて窒素除去の処理の進行具合を推測することが可能である。

具体的には、たとえば、貯留タンク１から取り出される被処理水の処理が初期段階では、第２バルブ１１の開度を絞り、第３バルブ１５の開度を開くことにより、通過型電解装置９で電解処理された被処理水のすべてがバイパス経路１４を通って再び通過型電解装置９へ与えられるようにする。そしてｐＨセンサ１０の測定値の変化に応じて、第２バルブ１１の開度を上げ、逆に第３バルブ１５の開度を絞っていくことにより、窒素成分が除去された被処理水を貯留タンク１へ戻すことが可能である。このように、処理後の被処理水における除去の割合は、ｐＨセンサ１０の測定値に基づき、第２バルブ１１および第３バルブ１５の開度を調整することにより制御することができる。

また、通過型電解装置９の上流側には、塩素イオン供給装置１９およびｐＨ調整装置２２が接続されている。このため、装置１９におけるポンプ１８の運転を調整することによって、通過型電解装置９へ与えられる被処理水に対し、その直前で塩素イオンを添加でき、塩素イオンが添加された被処理水が効率良く通過型電解装置９で電気分解され得る。すなわち、電解装置９における塩素イオンの平均濃度が最も高くなり、塩素イオンの添加量を低く抑えながら、効率の良い電気分解を行わせることができる。

また、被処理水のｐＨが大きく変化しないように、装置２２のポンプ２１の運転を調整して中和剤を供給することができる。具体的には、通過型電解装置９では、被処理水のｐＨが５以下では、塩素ガスが発生しやすいので、ｐＨ調整装置２２によって、被処理水中にＮａＯＨを供給し、被処理水のｐＨを中和するように制御する。
さらに、バイパス経路１４にはエア抜き装置１６が備えられている。エア抜き装置１６をバイパス経路１４に設けると、バイパス経路を通ってポンプ８の上流側へ戻される被処理水中からエアを取り除け、ポンプ８にエア噛みなどの不具合が生じることを回避できる。

エア抜き装置１６は、図２の模式図に示すような、たとえばボールタップを配置したタンクを有する構成とすることができる。
すなわち、図２を参照して、エア抜き装置１６は、バイパス経路１４の途中に挿入されたタンク２３と、タンク２３内に配置されたフロート用のボール２４を含む。上流側のバイパス経路１４からタンク２３内に被処理水が流入し、タンク２３のバッファ作用によりタンク２３内で被処理水は一定量溜まり、下流側のバイパス経路１４から流れ出る。タンク２３の入口は、タンク２３内に溜まった被処理水の水位によりボール２４が上下に変位するので、ボール２４の上下動により開度が変化される。具体的には、タンク２３内に溜まっている被処理水の量が増加し、水位が上昇すると、ボール２４は上方へ変位し、入口の開度を小さくする。これにより、タンク２３に溜まった被処理水は出口側から流れ続け、タンク２３内の水位が降下する。これにより、万一、タンク２３の出口側が詰まったとしても、それによりタンク２３内の水位が上昇して入口側が閉じられるので、タンク２３から被処理水が溢れ出ることがない。

そして、タンク２３内に溜まっている間に、被処理水中の気体成分は細かな泡となつて上方へ上がって被処理水から分離し、エア抜き孔２５から放出される。
図３に、通過型電解装置９の模式図を示す。
図３（Ａ）は通過型電解装置の平面略図であり、（Ｂ）は側面から見た略図である。
通過型電解装置９は、外形を形成するいわゆるハウジングは備えておらず、電極板およびスペーサによって装置の周囲が区画されている。すなわち、被処理水の通過方向に沿ってほぼ垂直に立設された複数枚の、側面視矩形のアノード電極板２６およびカソード電極板２７が交互に所定間隔をあけて対向するように配設されている。また、アノード電極板２６およびカソード電極板２７の間には、それぞれ、被処理水の流れ方向に長手の棒状をした複数の上スペーサ２８および下スペーサ２９が設けられ、かつ、流入側には、流入側の側壁を構成し、下方に入口３０が形成された多数の入口側スペーサ３１が設けられ、流出側には、上方に出口３２が形成された多数の出口側スペーサ３３が配設されている。よって、これらアノード電極板２６、カソード電極板２７、上スペーサ２８、下スペーサ２９、入口側スペーサ３１および出口側スペーサ３３により、各アノード電極板２６およびカソード電極板２７の間が、被処理水が通過する処理空間となっている。そしてこの中を被処理水が通過する間に、アノード電極板２６およびカソード電極板２７に電圧・電流が印加されることによって、被処理水の電気分解が行われる。

通過型電解装置９は、上述のような構成であるから、ハウジングを用いることなく、流量に対応してその容積を変更可能な汎用性のある構造とすることができる。
ところで、通過型電解装置９では、たとえばアンモニア性窒素を除去する場合、次の反応式により、被処理水中のアンモニア成分は窒素に変換される。

つまり、アンモニアは、クロラミンまたはジクロラミンを経て窒素に変化するので、被処理水中のクロラミンまたはジクロラミンが含まれている状態の時間を短縮し、ＨＣｌＯが電気分解により速くたくさん作られ、下記の反応式が迅速に進行するようにする必要がある。
ＮＨ3 ＋ＨＣｌＯ→ＮＨ2 Ｃｌ＋Ｈ2 Ｏ
ＮＨ2 Ｃｌ＋ＨＣｌＯ→ＮＨＣｌ2 ＋Ｈ2 Ｏ
ＮＨＣｌ2 ＋ＨＣｌＯ→１／２Ｎ2 ＋ＨＣｌ＋Ｈ2 Ｏ
この実施形態では、バイパス経路１４を用いて被処理水を通過型電解装置９に複数回繰り返して通過させるという処理により、電気分解により生じるＨＣｌＯが効果的に窒素成分除去に寄与するようにされている。

この発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では電解装置として通過型電解装置９を用いたが、通過型電解装置以外の、短時間被処理水を貯留できるような電解装置によってシステムを構成することも可能である。
その他、この発明は、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。

この発明の一実施形態に係る電解窒素除去システムの構成例を示す全体図である。 エア抜き装置の模式図である。 通過型電解装置の模式図である。

符号の説明

１ 貯留タンク
６ 循環路
７ 第１バルブ
８ ポンプ
９ 通過型電解装置
１０ ｐＨセンサ
１１ 第２バルブ
１２ 流入口
１３ 流出口
１４ バイパス経路
１５ 第３バルブ
１６ エア抜き装置
１９ 塩素イオン供給装置
２２ ｐＨ調整装置

Claims (11)

1. 電気化学的手法によって被処理水中の窒素成分を除去する電解窒素除去システムであって、
   窒素成分を除去すべき被処理水を一旦貯留するための貯留タンクと、
   上記貯留タンクから被処理水を取り出し、再び貯留タンクに戻すための循環路と、
   上記循環路の途中に設けられ、循環路を流れる被処理水を電気分解するための電気分解手段と、
   上記循環路の、電気分解手段が設けられた位置よりも下流側に流入口が接続され、電気分解手段が設けられた位置よりも上流側に流出口が接続されていて、電気分解手段で電気分解された被処理水を循環路下流から再処理のために循環路上流へ戻すバイパス経路と、を有することを特徴とする電解窒素除去システム。
2. 上記電気分解手段で電気分解された被処理水が、上記循環路を通って貯留タンクへ戻る流量と、上記バイパス経路を通って再び電気分解手段へ戻る流量との流量比を調整するための流量比調整手段が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の電解窒素除去システム。
3. 上記流量比調整手段は、バイパス経路に挿入された流量制御用バルブ、または、バイパス経路の流入口が接続された位置よりも下流側の循環路に設けられた流量制御用バルブの少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項２記載の電解窒素除去システム。
4. 上記流量比調整手段は、バイパス経路に挿入された流量制御用バルブ、および、バイパス経路の流入口が接続された位置よりも下流側の循環路に設けられた流量制御用バルブを含むことを特徴とする、請求項３記載の電解窒素除去システム。
5. 上記流量比調整手段は、さらに、上記循環路におけるバイパス経路の流出口が接続された位置と電気分解手段との間に設けられ、循環路を流れる被処理水の流量を調整するためのポンプを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の電解窒素除去システム。
6. 上記循環路における電気分解手段の下流側で、かつ、バイパス経路の流入口が設けられた位置よりも上流側に、循環路を流れる被処理水のｐＨを検出するためのｐＨセンサが設けられていることを特徴とする、請求項５記載の電解窒素除去システム。
7. 上記流量比調整手段は、上記ｐＨセンサの出力に基づき流量比を制御することを特徴とする、請求項６記載の電解窒素除去システム。
8. 上記電気分解手段は、被処理水を溜めずに、被処理水を通過させながら、その間に被処理水を電気分解する通過型電気分解手段であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の電解窒素除去システム。
9. 上記循環路には、バイパス経路の流出口が接続された位置よりも下流側で、かつ、電気分解手段よりも上流側に、被処理水中の塩素濃度を高めるための塩素供給手段が設けられていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の電解窒素除去システム。
10. 上記循環路には、バイパス経路の流出口が接続された位置よりも下流側で、かつ、電気分解手段よりも上流側に、被処理水のｐＨを調整するためのｐＨ調整薬剤注入手段が設けられていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の電解窒素除去システム。
11. 上記バイパス経路中に、被処理水中に発生するエアを除去するためのエア抜き手段が設けられていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の電解窒素除去システム。

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